(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのディーゼル燃料動力発生装置を有する列車を運転するための制御システムであって、
運行するルートに沿った列車の時間や距離に応じた速度、動力およびスロットル設定のうちの複数の設定を含む、前記列車の運行のための運行計画を決定するように構成された、車載のミッションオプティマイザであって、前記列車の情報と前記ルートの情報とに基づいて、前記列車が前記運行を開始する前に前記運行計画を決定して、前記列車が前記ルートに沿って走行するように前記複数の設定に関する第１の信号を出力するように構成されたミッションオプティマイザと、
前記列車のエンジンシステムに結合された変換器であって、前記第１の信号または前記第１の信号に基づいて生成された信号を含む入力信号を受け取り、前記入力信号に基づいて、前記ルートに沿って前記エンジンシステムを制御するためのエンジン制御信号を出力する変換器と、
前記ルートに沿って前記列車が走行している間に、車速データを含む前記列車の運転データを収集するための車載のセンサと、
前記運転データを前記ミッションオプティマイザに伝達するように構成された車載の通信システムであって、前記ミッションオプティマイザと、前記変換器と、前記センサとの間の閉制御ループを提供する通信システムと、
を含み、
ミッションオプティマイザは、前記ルートに沿って前記列車が走行している間に、前記運転データの少なくとも一部に基づいて、前記第１の信号を調整する、
システム。
【請求項２】
少なくとも１つのディーゼル燃料動力発生装置を有する列車の運転を制御するための方法であって、
ルートに沿って前記列車が走行している間に、車速に関連するデータを含む前記列車の運転データを車上で収集するステップと、
前記列車の前記ルートに関連する情報を車上で決定するステップと、
速度、動力およびスロットル設定のうちの少なくとも１つを含む、前記ルートに沿って前記列車が運行するために運行計画を、前記列車が前記運行を開始する前に、車上で決定するステップであって、前記運行計画は、前記列車の情報と前記列車の前記ルートに関連する情報とに基づいて決定される、ステップと、
前記速度、動力およびスロットル設定のうちの少なくとも１つを、前記運行中に前記列車に適用するステップと、
前記ルートに沿って前記列車が走行している間に、前記速度、動力およびスロットル設定のうちの少なくとも１つを、前記運転データの少なくとも一部に基づいて、車上で調整するステップと、
を含む、方法。
【請求項３】
前記列車の前記ルートに関連する前記情報と前記運転データとに基づいて、前記ルート上の地点で、前記運行計画を再決定するステップをさらに含む、請求項２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野は、列車の運転を最適化することに関し、より具体的にはスケジュールの制約を満足しながら効率を向上するように列車の運転を監視および制御することに関する。
【背景技術】
【０００２】
本願は米国仮出願第６０／８９４，００６号に基づき、２００６年３月２０日に出願された米国特許出願第１１／３８５，３５４号の一部継続出願である。
【０００３】
オフハイウェー車、船舶用ディーゼル駆動推進プラント、固定ディーゼル駆動システムおよび鉄道輸送手段システム、または列車などであるがこれらに限定されないディーゼル駆動システムは、通常、ディーゼル動力装置によって駆動される。鉄道輸送手段システムに関して、ディーゼル動力装置は少なくとも１両の機関車の一部であり、列車は貨車などの複数の鉄道車両をさらに含む。通常２両以上の機関車が提供され、それらの機関車は機関車のコンシストとみなされる。機関車は多数のサブシステムを用いた複雑なシステムであり、各サブシステムはその他のサブシステムと相互に依存している。
【０００４】
オペレータは機関車に乗車して、機関車の適切な運転およびその機関車に関連する貨車の貨物を保証する。機関車の適切な運転を保証することに加えて、オペレータは、列車の運転速度と、当該機関車が一部である列車内の力とを決定する責任も負う。この機能を実行するために、概して、オペレータは、特定の地形上で機関車および様々な列車を運転することの幅広い経験を持っていなければならない。この知識は、軌道に沿った列車の位置と共に変わる可能性がある指定され得る運転速度に従うために必要とされる。さらに、オペレータは、列車内の力が許容限界内に留まることを保証する責任も負う。
【０００５】
図１１は、鉄道輸送手段が現在どのように制御されるかの従来技術の構成図を示す。オペレータ６４９は、主幹制御器６５１デバイスを特定の設定に手動で動かすことによって鉄道輸送手段６５３を制御する。主幹制御器が示されているが、当業者は、主幹制御器６５１の代わりにその他のシステム制御デバイスが使用されることができることを容易に認識するであろう。したがって、用語「主幹制御器」は、限定的な用語であるように意図されない。オペレータ６４９は、現在の速度、所望の速度、排気の要件、牽引力、所望の馬力、リモートで提供される情報などを含むがこれらに限定されない複数の要素６５４に基づいて主幹制御器６５１の設定または位置を決定する。
【０００６】
しかし、たとえ安全な運転を保証するための知識があったとしても、通常、オペレータはそれぞれの運行に対して燃料消費が最小化されるように機関車を運転することはできない。例えば、考慮されなければならないその他の要素は、排気の排出、騒音／振動のようなオペレータの環境条件、燃料消費と排気の排出との重み付けされた組合せなどを含む可能性がある。これは、例として、列車の大きさおよび荷重が変わり、機関車およびそれらの機関車の燃料／排気の特性が異なり、天候および交通の条件が変わるので行うことが難しい。
【特許文献１】米国特許第６，６９１，９５７号公報
【特許文献２】米国特許出願公開第２００２／００５９０７５号公報
【特許文献３】米国特許出願公開第２００３／０２１３８７５号公報
【特許文献４】米国特許出願公開第２００４／０１３３３１５号公報
【特許文献５】米国特許出願公開第２００４／０２４５４１０号公報
【特許文献６】米国特許出願公開第２００５／０１２０９０４号公報
【特許文献７】米国特許第６，１４４，９０１号公報
【特許文献８】米国特許第７，０９２，８０１号公報
【特許文献９】米国特許第７，０９２，８００号公報
【特許文献１０】米国特許第７，０７９，９２６号公報
【特許文献１１】米国特許第７，０３６，７７４号公報
【特許文献１２】米国特許第７，０２４，２８９号公報
【特許文献１３】米国特許第６，９９６，４６１号公報
【特許文献１４】米国特許第６，９７８，１９５号公報
【特許文献１５】米国特許第６，９５７，１３１号公報
【特許文献１６】米国特許第６，９０３，６５８号公報
【特許文献１７】米国特許第６，８６５，４５４号公報
【特許文献１８】米国特許第６，８６３，２４６号公報
【特許文献１９】米国特許第６，８５３，８８８号公報
【特許文献２０】欧州特許第１２９７９８２号公報
【特許文献２１】米国特許第６，８４５，９５３号公報
【特許文献２２】米国特許第６，８２４，１１０号公報
【特許文献２３】米国特許第６，６０９，０４９号公報
【特許文献２４】米国特許第６，１１２，１４２号公報
【特許文献２５】米国特許第６，９１５，１９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
オペレータは、変動の原因にかかわらず可能な最小限の燃料を使用しながら、要求されたスケジュール（到着時間）を守るように特定の日に列車を運転する最善のやり方を決定するための手段をそれらのオペレータが提供されたとすればより効果的に列車を運転することができるであろう。
【０００８】
同様に、オフハイウェー車、船舶用ディーゼル駆動推進プラント、および／または固定ディーゼル駆動システムの所有者および／またはオペレータは、これらのディーゼル駆動システムがミッション時間の制約などであるがこれに限定されない運転の制約を満たしながら排気の排出を最小化しながら全体的な燃料消費を節約するために最適な燃料効率および排気の排出をもたらすときに実現される財政的利益を理解するであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の実施形態は、少なくとも１つのディーゼル燃料動力発生装置を有するディーゼル駆動システムを運転するための制御システムを開示する。システムは、ディーゼル燃料動力発生装置によって使用されるべき少なくとも１つの設定を決定するミッションオプティマイザを含む。ディーゼル燃料動力発生装置によって使用されるべき情報のうちの少なくとも１つを受け取り、当該情報を受け入れ可能な信号に変換する変換器も開示される。ミッションオプティマイザに伝達される、ディーゼル駆動システムからの少なくとも１つの運転データを収集するためのセンサがさらに開示される。ミッションオプティマイザと、変換器と、センサとの間の閉制御ループを確立するために通信システムが提供される。
【００１０】
本発明の別の例示的実施形態は、少なくとも１つのディーゼル燃料動力発生装置を有するディーゼル駆動システムの運転を制御するための方法を開示する。方法は、ディーゼル燃料動力発生装置に対して最適化された設定のうちの少なくとも１つを決定するためのステップを含む。別のステップは、少なくとも１つの最適化された設定をディーゼル燃料動力発生装置用の認識可能な入力信号に変換することを伴う。さらに別のステップは、少なくとも１つの最適化された設定が適用されるときにディーゼル駆動システムの少なくとも１つの運転条件を決定することである。別のステップは、少なくとも運転条件が少なくとも１つの設定をさらに最適化するために使用されるように少なくとも１つの運転条件を閉制御ループ内でオプティマイザに伝達することを含む。
【００１１】
別の例示的実施形態は、コンピュータと少なくとも１つのディーゼル燃料動力発生装置とを有するディーゼル駆動システムを運転するためのコンピュータソフトウェアコードを開示する。コンピュータソフトウェアコードは、ディーゼル燃料動力発生装置に対する設定のうちの少なくとも１つを決定するためのコンピュータソフトウェアモジュールと、少なくとも１つの設定をディーゼル燃料動力発生装置用の認識可能な入力信号に変換するためのコンピュータソフトウェアモジュールとを含む。少なくとも１つの設定が適用されるときにディーゼル駆動システムの少なくとも１つの運転条件を決定するためのコンピュータソフトウェアモジュールがさらに開示される。少なくとも運転条件が少なくとも１つの設定をさらに最適化するために使用されるように少なくとも１つの運転条件を閉制御ループ内でオプティマイザに伝達するためのコンピュータソフトウェアモジュールも開示される。
【００１２】
上で簡潔に説明された本発明の例のより具体的な説明が、添付の図面において図示される本発明の特定の実施形態を参照することによってなされる。これらの図面は本発明の典型的な実施形態のみを示し、したがって本発明の範囲の限定とみなされてはならないという理解の下で、本発明が添付の図面の使用を通じてさらなる具体性および詳細によって示され、説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
ここで、本発明に合致する実施形態に対する参照が詳細になされ、本発明の例が添付の図面に図示される。可能なときはいつでも、図面を通じて使用される同じ参照番号は同一のまたは同様の部分を指す。
【００１４】
本発明の例示的実施形態が鉄道輸送手段、具体的には、ディーゼルエンジンを有する列車および機関車に関して説明されるが、本発明の例示的実施形態は、それぞれがディーゼルエンジンを使用することができるオフハイウェー車、船舶、および固定ユニットなどであるがこれらに限定されないその他の用途にも適用可能である。この目的のために、特定のミッションを検討するときに、この特定のミッションはディーゼル駆動システムによって実行されるべきタスクまたは要件を含む。したがって、鉄道、船舶、またはオフハイウェー車の用途に関して、この特定のミッションは現在位置から目的地へのシステムの移動を指す可能性がある。固定の発電所または発電所のネットワークなどであるがこれらに限定されない固定の用途の場合、特定のミッションは、ディーゼル駆動システムによって満足されるべきワット量（例えば、ＭＷ／ｈｒ）またはその他のパラメータもしくは要件を指す可能性がある。同様に、ディーゼル燃料動力発生装置の運転条件は、速度、荷重、給油の値、タイミングなどのうちの１つまたは複数を含む可能性がある。
【００１５】
船舶を含む１つの例示的な例において、複数の曳舟が一緒に運転していることができ、全ての曳舟が同一のより大きな船を移動しており、より大きな船を移動させるミッションを遂行するためにそれぞれの曳舟が調子を合わせて連係させられる。別の例示的な例において、単一の船舶が複数のエンジンを有することができる。オフハイウェー車（ＯＨＶ）は、位置Ａから位置Ｂに土を移動するための同じミッションを持った輸送手段の一団を含むことができ、それぞれのＯＨＶはミッションを遂行するために調子を合わせて連係させられる。固定の発電所に関して、複数の発電所が一緒にグループ化され、特定の場所および／または目的のために集合的に電力を生成することができる。別の例示的実施形態において、単一の発電所が提供されるが、複数の発電機が当該単一の発電所を構成する。
【００１６】
本発明の例示的実施形態は、運転および／または運用方針を決定および実行するためのシステム、方法、およびコンピュータソフトウェアコードなどのコンピュータで実装される方法を提供することによって当技術分野における問題を解決する。機関車に関して、本発明の例示的実施形態は、機関車のコンシストが動力分散運転中であるときにも動作可能である。
【００１７】
当業者は、ＣＰＵ、メモリ、Ｉ／Ｏ、プログラム記憶装置、接続バス、およびその他の適切なコンポーネントを含むデータ処理システムなどの装置が本発明の方法の実施を容易にするようにプログラムされるか、またはそうでなければ設計されることができることを認識するであろう。そのようなシステムは、本発明の方法を実行するための適切なプログラム手段を含む。
【００１８】
また、データ処理システムと共に使用するための事前記録ディスクまたはその他の同様のコンピュータプログラム製品などの製品は、本発明の方法の実施を容易にするようにデータ処理システムに指示するための記憶媒体およびその記憶媒体上に記録されたプログラム手段を含むことができる。そのような装置および製品も本発明の精神および範囲の内に入る。
【００１９】
大まかに言って、技術的な効果は、スケジュールおよび速度の制約を満足しながら少なくとも特定の目的の運転基準パラメータ要件を改善するようにディーゼル駆動システムの運転および／または運用方針を決定および実行することである。理解を容易にするために、以降、そのことがそのことの特定の実装を参照して説明される。本発明が、コンピュータによって実行されるプログラムモジュールなどのコンピュータが実行可能な命令との全般的な関連で説明される。概して、プログラムモジュールは、特定のタスクを実行するか、または特定の抽象データ型を実装するルーチン、プログラム、オブジェクト、コンポーネント、データ構造などを含む。例えば、本発明の基礎をなすソフトウェアプログラムは、様々なプラットフォームと共に使用するために様々な言語でコーディングされることができる。以下に続く説明において、本発明の例が、ウェブブラウザを使用するウェブポータルとの関連で説明される。しかし、本発明の基礎をなす原理はその他の種類のコンピュータソフトウェア技術を用いて実装されることもできることが理解されるであろう。
【００２０】
さらに、当業者は、本発明がハンドヘルドデバイス、マルチプロセッサシステム、マイクロプロセッサベースのまたはプログラム可能な家庭用電化製品、ミニコンピュータ、メインフレームコンピュータなどを含むその他のコンピュータシステム構成を用いて実施されることができることを理解するであろう。本発明は、通信ネットワークを介して接続されたリモートの処理デバイスによってタスクが実行される分散コンピューティング環境において実施されることもできる。分散コンピューティング環境においては、プログラムモジュールは、メモリ記憶装置を含むローカルのコンピュータ記憶媒体およびリモートのコンピュータ記憶媒体の両方に配置されることができる。これらのローカルのおよびリモートのコンピューティング環境は、機関車もしくはコンシスト内の隣接する機関車内に完全に含まれることができるか、または無線通信が使用される車外の沿線もしくは中央オフィスにあることができる。
【００２１】
この文書を通して用語「機関車のコンシスト」が使用される。本明細書において使用されるように、機関車のコンシストは、モータリングおよび／または制動能力を提供するために一緒に接続された連続する１両または複数の機関車を有することとして説明されることができる。機関車は一緒に接続され、機関車の間に列車車両はない。列車は、その列車の構成の中に２つ以上のコンシストを有することができる。具体的には、本務コンシストと、一連の車両の中間および列車の最後尾の別のリモートのコンシストなどの２つ以上のリモートのコンシストとが存在することができる。それぞれの機関車のコンシストは第１の機関車と（１両または複数の）補助機関車とを有することができる。コンシストは通常連続する機関車とみなされるが、当業者は、スロットルおよび制動命令が無線リンクまたは物理的ケーブルによって本務機関車からリモートの補助機関車に中継される動力分散運転用にコンシストが構成されるときなど、少なくとも車両がそれらの機関車を分けるときでさえもコンシストの機関車の一群がやはりコンシストとして認識され得ることを容易に認識するであろう。この目的のために、用語「機関車のコンシスト」は、同じ列車内の複数の機関車を検討するときに限定的な要素とみなされるべきでない。
【００２２】
ここで図面を参照して本発明の実施形態が説明される。本発明は、システム（コンピュータ処理システムを含む）、方法（コンピュータ化された方法を含む）、装置、コンピュータ可読媒体、コンピュータプログラム製品、ウェブポータルを含むグラフィカルユーザインターフェース、またはコンピュータ可読メモリ内に実在するように定着されたデータ構造を含む多数のやり方で実装されることができる。本発明のいくつかの実施形態が以下で検討される。
【００２３】
図１は、例示的実施形態のフローチャートの例示的な図を示す。示されるように、命令は、車内か、または指令センタ１０などのリモートの場所からのいずれかの、運行を計画することに固有の入力である。そのような入力情報は、列車の位置と、コンシストの説明（機関車の型式など）と、機関車の動力の説明と、機関車の牽引力伝達性能と、出力動力の関数としてのエンジン燃料の消費と、冷却特性と、意図される運行ルート（距離標、または標準的な鉄道のやり方に従った曲率を反映するための「有効な勾配」の構成要素の関数としての有効な軌道の勾配および曲率）と、有効な抵抗係数に加えて車両の構造および荷重によって表された列車と、出発時間および出発地、終着地、所望の走行時間、乗務員（ユーザおよび／またはオペレータ）の識別情報、乗務員のシフト終了時間、ならびに経路を含むがこれらに限定されない運行の所望のパラメータとを含むがこれらに限定されない。
【００２４】
このデータは、オペレータがこのデータを車載のディスプレイを介して機関車４２に手動で入力すること、当該データを含むハードカードおよび／またはＵＳＢなどのメモリデバイスを機関車に搭載されたレセプタクルに差し込むこと、ならびに当該情報を軌道信号デバイスおよび／または沿線のデバイスなどの中央のまたは沿線の場所４１から機関車４２に無線通信を介して送信することなどであるがこれらに限定されないいくつかのやり方で機関車４２に提供されることができる。機関車４２および列車３１の負荷特性（例えば、抵抗）も（例えば、高度、外気温度、ならびにレールおよび鉄道車両の状態によって）経路上で変わる可能性があり、計画は、そのような変化を上で検討された方法のうちのいずれかによっておよび／または機関車／列車の状態のリアルタイムの自律的な収集によって必要に応じて反映するために更新されることができる。これは、例えば、（１両もしくは複数の）機関車４２に搭載された、または（１両もしくは複数の）機関車４２に搭載されていない監視機器によって検出された機関車または列車の特性の変化を含む。
【００２５】
軌道信号システムは列車の許容速度を決定する。多くの種類の軌道信号システムと、信号のそれぞれに関連する運転規則とが存在する。例えば、いくつかの信号は単一のライト（オン／オフ）を持ち、いくつかの信号は複数の色を有する単一のレンズを持ち、いくつかの信号は複数のライトおよび色を持つ。これらの信号は軌道が通行に支障のない状態であることを示すことができ、列車は最高許容速度で進行することができる。それらの信号は、減速または停車が要求されることを示すこともできる。この減速は、直ちにまたは特定の場所（例えば、次の信号または踏切の前）で達成される必要がある可能性がある。
【００２６】
信号の状態は様々な手段を通じて列車および／またはオペレータに伝達される。いくつかのシステムは、軌道内の回路と、機関車上の指示ピックアップコイルとを有する。その他のシステムは無線通信システムを有する。信号システムは、オペレータに信号を視覚的に調べ、適切な対処を行うように要求することもできる。
【００２７】
信号システムは、車載の信号システムとインターフェースを取り、入力および適切な運転規則に従って機関車の速度を調整することができる。オペレータに信号の状態を視覚的に調べるように要求する信号システムに関して、運転画面が、列車の位置に基づいてオペレータが入力を行うための適切な信号オプションを提示する。位置の関数としてのこの種の信号システムおよび運転規則は、車載のデータベース６３に記憶されることができる。
【００２８】
例示的実施形態に入力された規定データに基づいて、所望の出発および到着時間を有する経路に沿った速度制限の制約に従って燃料の使用および／または生成される排気を最小化する最適な計画が、運行プロフィール１２を生成するために計算される。プロフィールは、距離および／または時間の関数として表された列車が従うべき最適な速度および動力（ノッチ）設定と、最大ノッチ動力およびブレーキ設定、ならびに位置の関数としての速度制限を含むがこれらに限定されないそのような列車の運転の制限と、予想される使用燃料および生成される排気とを含む。例示的実施形態において、ノッチ設定に関する値は、１０から３０秒毎に１回程度スロットル変更判断を得るために選択される。当業者は、最適な速度プロフィールに従うために必要とされるおよび／または望まれる場合にスロットル変更判断がより長いまたはより短い期間に行われることができることを容易に認識するであろう。より広い意味で、プロフィールは列車レベル、コンシストレベル、および／または個々の列車レベルのいずれかで動力設定を列車に提供することが当業者には明らかであるに違いない。動力は、制動動力、モータリング動力、および空気ブレーキ動力を含む。別の好ましい実施形態において、従来の離散的なノッチ動力設定で運転する代わりに、例示的実施形態は、選択されたプロフィールに対して最適と判定される連続的な動力設定を選択することができる。したがって、例えば、最適なプロフィールがノッチ設定６．８を指定する場合、ノッチ設定７で運転する代わりに、機関車４２は６．８で運転することができる。そのような中間的な動力設定を可能にすることは、以下で説明されるようにさらなる効率の利益をもたらすことができる。
【００２９】
最適なプロフィールを計算するために使用される手順は、以下で要約されるように機関車の運転およびスケジュールの制約に従って燃料および／または排気を最小化するように列車３１を運転する動力シーケンスを計算するための任意の数の方法であることができる。いくつかの場合、要求される最適なプロフィールは、列車の構成、経路、および環境条件の類似性のために、前に決定されたプロフィールに十分に近い可能性がある。これらの場合、データベース６３内の運転経路を検索し、その運転経路に従うように試みることで事足りる可能性がある。前に計算された計画が好適でないとき、新しい計画を計算するための方法は、列車の動きの物理的過程を近似する微分方程式モデルを使用する最適なプロフィールの直接的な計算を含むがこれに限定されない。設定は、通常、燃料消費率および排気の生成に対応するモデル変数の加重和（積分）に過度のスロットルの変動にペナルティを課すための項を足したものである定量的目的関数の選択を伴う。
【００３０】
最適な制御の定式化は、速度制限ならびに最大および最小動力（スロットル）設定を含むがこれらに限定されない制約に従って定量的目的関数を最小化するように構成される。いつでも計画の目的に応じて、問題は、排気および速度の制限に関する制約に従って燃料を最小化するように、または燃料の使用および到着時間に関する制約に従って排気を最小化するように柔軟に設定されることができる。例えば、制約の緩和がミッションのために許可または要求される場合に総排気または燃料の使用に関する制約なしに総走行時間を最小化するという目的を設定することも可能である。
【００３１】
この文書を通して、例示的方程式および目的関数が、機関車の燃料消費を最小化するために示される。燃料消費を最適化するために、またはその他の機関車／列車の運転パラメータを最適化するためにその他の方程式および目的関数が使用されることができるので、これらの方程式および関数は例示のみを目的とする。
【００３２】
数学的に、解かれるべき問題はより正確に表されることができる。基本的な物理的過程は以下によって表される。
【００３３】
【数１】
0005469463.tif 000002
ここで、ｘは列車の位置であり、ｖは速度であり、ｔは時間であり（必要に応じて、マイル、マイル時速、および分または時間で表される）、ｕはノッチ（スロットル）命令入力である。さらに、Ｄは走行予定距離を表し、Ｔｆは軌道に沿った距離Ｄへの所望の到着時間であり、Ｔｅは機関車のコンシストによって生成される牽引力であり、Ｇａは列車の長さ、列車の構造、および列車が位置付けられている地形に依存する重力抵抗であり、Ｒは機関車のコンシストおよび列車の組合せの実速度に依存する抵抗である。初速度および最終速度も指定されることができるが、一般性を失うことなくここでは０であると（列車は始めと終わりに停車していると）みなされる。最後に、モデルは、スロットルの変化ｕと結果として起こる牽引力または制動との間の時間のずれのようなその他の重要な力学を含むように容易に修正される。このモデルを使用すると、最適な制御の定式化が、速度制限ならびに最小および最大動力（スロットル）設定を含むがこれらに限定されない制約に従って定量的目的関数を最小化するように構成される。いつでも計画の目的に応じて、問題は、排気および速度の制限に関する制約に従って燃料を最小化するように、または燃料の使用および到着時間に関する制約に従って排気を最小化するように柔軟に設定されることができる。
【００３４】
例えば、制約の緩和がミッションのために許可または要求される場合に総排気または燃料の使用に関する制約なしに総走行時間を最小化するという目的を設定することも可能である。全てのこれらの性能の尺度は、以下のうちの任意のものの１次結合として表されることができる。
【００３５】
【数２】
0005469463.tif 000003
−総燃料消費を最小化する。
【００３６】
【数３】
0005469463.tif 000004
−走行時間を最小化する
【００３７】
【数４】
0005469463.tif 000005
−ノッチの操作を最小化する（区分的に一定な入力）
【００３８】
【数５】
0005469463.tif 000006
−ノッチの操作を最小化する（連続的入力）
（１）の燃料の項Ｆを排気の生成に対応する項で置き換える。例えば排気に関して、
【００３９】
【数６】
0005469463.tif 000007
−総排気の消費を最小化する。この方程式において、Ｅは、ノッチ（または動力設定）のそれぞれに対するｇｍ／ｈｐｈｒで表された排気量である。さらに、最小化は、燃料および排気の加重和に基づいてなされることもできる。
【００４０】
したがって、よく使用される代表的な目的関数は、
【００４１】
【数７】
0005469463.tif 000008
である。
【００４２】
この１次結合の係数は、項のそれぞれに対して与えられる重要度（重み）によって決まる。方程式（ＯＰ）において、ｕ（ｔ）は連続的なノッチ位置である最適化変数であることに留意されたい。例えば旧式の機関車のために離散的なノッチが必要とされる場合、方程式（ＯＰ）に対する解は離散化され、このことはより少ない燃料の節約をもたらす可能性がある。最小時間の解を見つけること（α１およびα２は０に設定される）が下限を見つけるために使用され、好ましい実施形態は、α３が０に設定されるようにしてＴｆの様々な値に対して方程式（ＯＰ）を解くことである。そのような最適化問題の解法に精通している人のために、制約、例えば経路に沿った速度制限
【００４３】
【数８】
0005469463.tif 000009
を追加すること、または、最小時間を目的として使用するときに終点の制約が保たれなければならず、例えば、総消費燃料が例えば
【００４４】
【数９】
0005469463.tif 000010
（ここでＷＦはＴｆにおいてタンク内に残っている燃料である）によってタンク内にある燃料より少なくなければならないことが必要である可能性がある。当業者は、方程式（ＯＰ）がその他の形態であることもできることと、上で提示されている方程式が本発明の例示的実施形態において使用するための例示的な方程式であることとを容易に認識するであろう。
【００４５】
本発明の例示的実施形態に関連した排気についての言及は、実際は窒素酸化物（ＮＯｘ）、未燃炭化水素、および微粒子の形態で生成される累積的な排気を対象とする。設計によって、どの機関車も実質排出量に関するＥＰＡ基準に従わなければならず、したがって排気が例示的実施形態において最適化されるとき、この排気は今日規定が存在しないミッション全体の排気である。いつも運転は連邦ＥＰＡの命令に従う。運行ミッション中の重要な目的が排気を削減することである場合、最適な制御の定式化、方程式（ＯＰ）は、この運行の目的を考慮するために修正される。最適化の設定における重要な柔軟性は、運行の目的のうちのいずれかまたは全てが地理的領域またはミッションによって変わることができることである。例えば、優先度の高い列車は、その列車が優先度の高い交通であるので１つの経路上で最小の時間が唯一の目的である可能性がある。別の例において、排気の排出は、計画された列車の経路に沿った州毎に変わることができる。
【００４６】
結果として得られる最適化問題を解くために、例示的実施形態において、本発明は、時間領域の動的な最適制御問題をＮ個の決定変数を有する等価で静的な数理計画問題に書き換え、ここで、数「Ｎ」はスロットルおよび制動の調整がなされる頻度と運行の継続時間とによって決まる。典型的な問題に関して、このＮは数千にもなる可能性がある。例えば、例示的実施形態において、列車が米国南西部の１７２マイルに渡って伸びた軌道を走行していると仮定する。例示的実施形態を利用すると、本発明の例示的実施形態を使用して決定され、遵守された運行を、運行がオペレータによって決定された場合の実際の運転士のスロットル／速度の履歴と比較するとき、例示的に使用燃料の７．６％の節約が実現されることができる。改善された節約は、例示的実施形態を使用することによって実現された最適化が、オペレータの運行計画と比較してより少ない抵抗損失とわずかなまたは全くない制動損失との両方を有する運転方針をもたらすので実現される。
【００４７】
上述の最適化を計算し易くするために、図２および上で検討された方程式に示されたような列車の簡素化されたモデルが使用されることができる。最適なプロフィールに対する重要な改善が、その他の熱的、電気的、および機械的制約が破られるかどうかをテストするために、生成された最適な動力シーケンスを用いるより詳細なモデルを動かすことによって生成され、機関車または列車の機器を害することなしに達成されることができる、すなわち機関車に関する熱的および電気的制限ならびに列車における車両間の力などのさらなる暗黙的な制約を満足することができる走行にもっと近い速度対距離を有する修正されたプロフィールをもたらす。
【００４８】
再び図１を参照すると、運行が開始される（１２）と、計画を発動するために動力命令が生成される（１４）。本発明の例示的実施形態の運転の設定に応じて、１つの命令は、最適な速度を達成するために機関車が最適化された動力命令に従う（１６）ためのものである。例示的実施形態は、列車の機関車のコンシストから実際の速度および動力の情報を取得する（１８）。最適化のために使用されるモデルにおける必然的な近似のおかげで、最適化された動力に対する修正の閉ループの計算が、所望の最適な速度を追跡するために取得される。列車の運転の制限のそのような修正は、自動的に、または列車の根本的な制御をいつも行っているオペレータによってなされることができる。
【００４９】
いくつかの場合、最適化において使用されるモデルは実際の列車と大きく異なる可能性がある。これは、特別な貨物の追加または切り離し、経路内の故障した機関車、および初期データベース６３内のまたはオペレータによるデータ入力の誤りを含むがこれらに限定されない多くの理由で発生する可能性がある。これらの理由のために、リアルタイムの列車のデータを使用してリアルタイムで機関車および／または列車のパラメータを推定する（２０）監視システムが配備されている。次に、推定パラメータが、運行が最初に作成されたときに使用された仮定のパラメータと比較される（２２）。仮定のパラメータと推定パラメータの任意の差に基づいて、十分に大きな節約が新しい計画からもたらされるならば運行が再計画されることができる（２４）。
【００５０】
運行が再計画される可能性があるその他の理由は、指令および／またはオペレータがより大域的な移動計画の目的に合致するように目的の変更を要求することなどのリモートの場所からの指令を含む。より大域的な移動計画の目的は、その他の列車のスケジュール、排気がトンネルから消散することができるようにすること、保守作業などを含む可能性があるがこれらに限定されない。別の理由は、車内でのコンポーネントの故障が原因である可能性がある。再計画に関する方針は、以下でさらに詳細に検討されるように障害の重大性に応じて付加的な調整および大幅な調整にグループ化されることができる。概して、「新しい」計画は、上述の最適化問題の方程式（ＯＰ）に対する解から導出されなければならないが、本明細書において説明されるようにより速い近似解が発見されることができることが多い。
【００５１】
運転中、機関車４２はシステム効率を継続的に監視し、更新が運行性能を向上するときにはいつでも実際の測定された効率に基づいて運行計画を継続的に更新する。再計画の計算は、（１両または複数の）機関車内で全て実行されることができるか、または計画を機関車４２に伝達するために無線技術が使用される指令または沿線の処理設備などのリモートの場所に全てもしくは部分的に移動されることができる。例示的実施形態は、効率伝達関数に関する機関車の一団のデータを作成するために使用されることができる効率の傾向を生成することもできる。機関車の一団全体のデータは、最初の運行計画を決定するときに使用されることができ、複数の列車の位置を考慮するときに鉄道網全体の最適化の折り合いをつけるために使用されることができる。例えば、図４に示される走行時間と燃料の使用のトレードオフ曲線は、特定の経路上の多くの同様の列車に関して収集されたアンサンブル平均をもとに更新された現時点の同じ経路上の列車の能力を反映する。したがって、多くの機関車から図４と同様の曲線を収集する中央指令機関は、列車の全体的な動きをよりうまく調整して燃料の使用またはスループットにおけるシステム全体の利益を達成するためにその情報を使用することができる。
【００５２】
同じ運行目的を維持することが望ましい場合、例えば列車が別の列車との計画された待ち合わせまたは追い越しに関して予定に遅れており、その列車が時間を取り戻す必要があるとき、日常的な運転における多くの事象が、現在実行中の計画を生成または修正する必要性を生じる可能性がある。機関車の実際の速度、動力、および位置を使用して、計画された到着時間と現在推定（予測）される到着時間との間で比較がなされる（２５）。これらの時間の差と（指令またはオペレータによって検出または変更された）パラメータの差とに基づいて計画が調整される（２６）。この調整は、計画からのそのような逸脱がどのように扱われるべきかに関する鉄道会社の希望に従って自動的に行われることができるか、または車上のオペレータおよび指令が計画に復帰するための最良のやり方を連帯して決定するための選択肢を手動で提案することができる。計画が更新されるが、到着時間などであるがこれに限定されない当初の目的が同じままであるときにはいつでも、追加的変更、例えば常に当初の計画に復帰することの実現可能性に影響を与える可能性がある新しい将来の速度制限の変更が同時に考慮されることができる。そのような場合、元の運行計画が維持されることができない、または換言すると列車が元の運行計画の目的を達成することができない場合、本明細書において検討されるように（１つまたは複数の）その他の運行計画がオペレータおよび／もしくはリモートの設備、または指令に提示されることができる。
【００５３】
再計画は、当初の目的を変更することが望ましいときにもなされることができる。そのような再計画は、決まった予め計画されたときに行われることができるか、オペレータもしくは指令の裁量で手動で行われることができるか、またはそのような列車の運転の制限などの既定の制限が超えられたときに自律的に行われることができるかのいずれかである。例えば、現在の計画の実行が３０分などの指定された閾値を超えるだけ遅れている場合、本発明の例示的実施形態は運行を再計画して、上述のようにより多くの燃料と引き換えに遅れに対処することができるか、またはいったいどのくらいの時間が取り戻されることができるか（すなわち、最小走行時間、もしくは時間の制約内で節約されることができる最大の燃料）をオペレータおよび指令に知らせることができる。再計画に関するその他の誘因は、消費燃料、あるいは到着時間、機器の故障および／もしくは機器の一時的な不調（過度に高い温度、もしくは過度に低い温度での運転など）による馬力の損失、ならびに／または想定された列車の荷重などにおける全体の設定の誤りの検出を含むがこれらに限定されない動力コンシストの調子に基づいて想定されることもできる。すなわち、変化が現在の運行に関する機関車の性能の低下を反映する場合、これらは、最適化に使用されるモデルおよび／または方程式に盛り込まれることができる。
【００５４】
計画の目的の変更は、１つの列車に関する計画が別の列車の能力を損なう事象を調整して、例えば指令オフィスが要求される異なるレベルで目的および調整を達成する必要性からも生じる可能性がある。例えば、待ち合わせおよび追い越しの調整が、列車同士の通信を通じてさらに最適化されることができる。したがって、例として、列車がその列車が待ち合わせおよび／または追い越しのための場所への到着が遅れていることを知っている場合、もう一方の列車からの通信が遅れている列車（および／または指令）に知らせることができる。そのとき、オペレータは例示的実施形態に遅れに関する情報を入力することができ、例示的実施形態は列車の運行計画を再計算する。例示的実施形態は、万一スケジューリングされた待ち合わせおよび／または追い越し時間の制約が満たされない場合にどの列車が速度を落とすべきか、または速度を上げるべきかを指令が決定することを可能にするために高レベルまたは鉄道網レベルで使用されることもできる。本明細書において検討されるように、これは、各列車がその列車の計画の目的をどのように変更すべきかを優先順位付けするために列車がデータを指令に送信することによって遂行される。選択は、状況に応じてスケジュールまたは燃料の節約の利点のいずれかに従属する可能性がある。
【００５５】
手動または自動で開始された再計画のいずれに関しても、例示的実施形態は、２つ以上の運行計画をオペレータに提示することができる。例示的実施形態において、本発明はオペレータに異なるプロフィールを提示し、オペレータが到着時間を選択し、対応する燃料および／または排気の影響を理解することを可能にする。そのような情報は、同様の検討のために指令に単なる選択肢のリストとしてか、または図４に示されたような複数のトレードオフ曲線としてのいずれかで提供されることもできる。
【００５６】
例示的実施形態は、現在の計画におよび／または将来の計画のためにのいずれかで組み込まれることができる列車および動力コンシストの重要な変更を学習し、それらの重要な変更に適合する能力を有する。例えば、上で検討された誘因のうちの１つは馬力の損失である。馬力の損失の後か、運行を開始するときのいずれかに時間の経過と共に馬力を上げるとき、いつ所望の馬力が達成されるのかを決定するために遷移ロジックが利用される。この情報は、万一馬力の損失が再び起こった場合に将来の運行かまたは現在の運行のいずれかを最適化するのに使用するために機関車のデータベース６１に保存されることができる。
【００５７】
図３は、本発明の例示的実施形態の要素の例示的実施形態を示す。列車３１の位置を判定するためのロケータ要素３０が提供される。ロケータ要素３０は、列車３１の位置を判定するＧＰＳセンサ、またはセンサシステムであることができる。そのようなその他のシステムの例は、無線周波数積載物自動認識（ＲＦ  ＡＥＩ）タグなどの沿線のデバイス、指令、および／または映像判定を含むことができるがこれらに限定されない。別のシステムは、機関車に搭載された（１つまたは複数の）タコメータ、および基準点からの距離の計算を含むことができる。既に検討されたように、無線通信システム４７が、列車間の、および／または指令などのリモートの場所との通信を可能にするために提供されることもできる。走行位置についての情報がその他の列車から転送されることもできる。
【００５８】
軌道についての情報、主として勾配および高度および曲率の情報を提供するための軌道特徴付け要素３３も提供される。軌道特徴付け要素３３は、車載の軌道完全性データベース３６を含むことができる。センサ３８が、機関車のコンシスト４２によって引かれる牽引力４０、機関車のコンシスト４２のスロットの設定、機関車のコンシスト４２の構成情報、機関車のコンシスト４２の速度、個々の機関車の構成、個々の機関車の能力などを測定するために使用される。例示的実施形態において、機関車のコンシスト４２の構成情報はセンサ３８を使用せずに取り込まれることができるが、上で検討されたようにその他のアプローチによって入力される。さらに、コンシスト内の機関車の調子が考慮されることもできる。例えば、コンシスト内の１両の機関車が動力ノッチレベル５を超えて運転することができない場合、この情報は運行計画を最適化するときに使用される。
【００５９】
ロケータ要素からの情報は、列車３１の適切な到着時間を決定するために使用されることもできる。例えば、軌道３４に沿って目的地に向かって移動している列車３１があり、その列車３１の後ろに続く列車がなく、当該列車が忠実に守るべき決まった到着期限を持たない場合、無線周波数積載物自動認識（ＲＦ  ＡＥＩ）タグ、指令、および／または映像判定を含むがこれらに限定されないロケータ要素が、列車３１の正確な位置を計測するために使用されることができる。さらに、これらの信号システムからの入力が、列車の速度を調整するために使用されることができる。以下で検討される車載の軌道データベースと、ＧＰＳなどのロケータ要素とを使用して、例示的実施形態は、所与の機関車の位置における信号システムの状態を反映するためにオペレータのインターフェースを調整することができる。信号の状態が前もって制限速度を示す状況において、プランナは、燃料消費を節約するために列車を減速させることを選択することができる。
【００６０】
ロケータ要素３０からの情報は、計画の目的を目的地への距離の関数として変更するために使用されることもできる。例えば、経路に沿った混雑についての避けがたい不確実性のために、経路の初めの方の部分における「より速い」時間の目的が、統計的に後で発生する遅延に対する防護措置として使用されることができる。特定の運行に関してたまたま遅延が発生しない場合、行程の後の方の部分における目的は、前に蓄えられた組み込まれた余分な時間を利用し、それによっていくらかの燃料効率を回復するために修正されることができる。同様の方針が、排気制限の目的、例えば都市部への接近に関して実施される可能性がある。
【００６１】
防護方針の一例として、運行がニューヨークからシカゴまで計画される場合、システムは、運行の初めか、または運行の中間か、または運行の終わりのいずれかにおいて列車を遅く運転するオプションを有する可能性がある。本発明の例示的実施形態は、天候条件、軌道の保守などであるがこれらに限定されない未知の制約が運行中に発生し、明らかになる可能性があるので運行の終わりにより遅い運転を可能にするように運行計画を最適化する。別の考えとして、以前から混雑している地域が知られている場合、計画は、これらの以前から混雑している地域の周辺でより高い柔軟性を持つためのオプションを用いて作成される。したがって、例示的実施形態は、時間／距離の関数としての重み付け／ペナルティを将来の考慮に入れることもでき、および／または知られている／過去の経験に基づいて考慮することもできる。当業者は、天候条件、軌道の条件、軌道上のその他の列車などを考慮に入れるためのそのような計画および再計画が運行中いつでも考慮に入れられることができ、運行計画がそれに従って調整されることを容易に認識するであろう。
【００６２】
図３は、例示的実施形態の一部であることができるその他の要素をさらに開示する。ロケータ要素３０、軌道特徴付け要素３３、およびセンサ３８からの情報を受け取るように動作可能なプロセッサ４４が提供される。アルゴリズム４６がプロセッサ４４内で動作する。アルゴリズム４６は、上述のように機関車４２、列車３１、軌道３４、およびミッションの目的を含むパラメータに基づいて最適化された運行計画を計算するために使用される。例示的実施形態において、運行計画は、アルゴリズムに提供されている簡素化の仮定を用いて物理的過程から導出された非線形微分方程式の解として、列車３１が軌道３４に沿って移動するときの列車の振る舞いに関するモデルに基づいて確立される。アルゴリズム４６は、ロケータ要素３０、軌道特徴付け要素３３、および／またはセンサ３８からの情報にアクセスして、機関車のコンシスト４２の燃料消費を最小化し、機関車のコンシスト４２の排気を最小化し、所望の運行時間を定め、および／または機関車のコンシスト４２上での適切な乗務員の稼働時間を保証する運行計画を作成する。例示的実施形態において、運転士、またはコントローラ要素５１も提供される。本明細書において検討されるように、コントローラ要素５１は、列車が運行計画に従うときに列車を制御するために使用される。本明細書でさらに検討される例示的実施形態において、コントローラ要素５１は、自律的に列車運転の判断を行う。別の例示的実施形態において、オペレータは、列車に運行計画に従うように指示することに関与する可能性がある。
【００６３】
本発明の例示的実施形態の要件は、実行中の任意の計画を最初に作成し、運行中に速やかに修正するための能力である。これは、計画最適化アルゴリズムの複雑性のために、長距離が必要とされるときに最初の計画を作成することを含む。運行プロフィールの全長が所与の距離を超えるとき、アルゴリズム４６がミッションを分割するために使用されることができ、ミッションは中間地点によって分割されることができる。単一のアルゴリズム４６のみが検討されるが、当業者は、２つ以上のアルゴリズムが使用されることができ、アルゴリズムが一緒に結びつけられることができることを容易に認識するであろう。中間地点は、対向する交通との待ち合わせ、もしくは現在の列車の後ろの列車による追い越しが単線の軌道上で行われるようにスケジューリングされる側線、または車両が追加および切り離しされることになる操車場の側線もしくは産業などであるがこれらに限定されない列車３１が停車する理に適った場所と、計画された作業の場所とを含むことができる。そのような中間地点において、列車３１は、スケジューリングされた時間にその場所におり、停車されているか、または指定範囲内の速度で移動しているように要求されることができる。中間地点における到着から出発までの期間は停車時間と呼ばれる。
【００６４】
例示的実施形態において、長い運行は、特別な体系的やり方でより小さなセグメントに分けられる。各セグメントは、長さが幾分任意的であることができるが、概して、停車もしくは著しい速度制限などの理に適った場所において、またはその他の経路との合流点を規定する重要な距離標において選択される。このようにして選択された部分またはセグメントが与えられると、運転プロフィールが、図４に示されたような独立変数とみなされる走行時間の関数として軌道の各セグメントに対して生成される。各セグメントに関連する使用燃料／走行時間のトレードオフが、列車３１が軌道のそのセグメントに到達する前に計算されることができる。全体的な運行計画が、各セグメントに対して生成された運転プロフィールから生成されることができる。本発明は、必要とされる総運行時間が満足され、全てのセグメントに渡る総消費燃料ができる限り少なくなるように最適なやり方で運行の全てのセグメントに走行時間を分散する。例示的３セグメントの運行が図６に開示され、以下で検討される。当業者は、通り抜けられるセグメントが検討されるが、運行計画が完全な運行を表す単一のセグメントからなることができることを認識するであろう。
【００６５】
図４は、燃料使用／走行時間曲線の例示的実施形態を示す。上述のように、そのような曲線５０は、各セグメントに対して様々な走行時間に関する最適な運行プロフィールを計算するときに生成される。すなわち、所与の走行時間４９に関して、使用燃料５３は、上述のように計算された詳細な運転プロフィールの結果である。各セグメントに対する走行時間が割り当てられると、動力／速度計画が、既に計算された解から各セグメントに対して決定される。速度制限の変更などであるがこれに限定されないセグメント間の速度に関する任意の中間地点の制約が存在する場合、それらは最適な運行プロフィールの生成中に調和させられる。速度制限が単一のセグメントのみの中で変わる場合、燃料使用／走行時間曲線５０は、変更されるセグメントのみに対して再計算される必要がある。これは、運行のより多くの部分またはセグメントを再計算しなければならないための時間を削減する。例えば機関車を失うこと、または車両の追加もしくは切り離しから機関車のコンシストまたは列車が経路に沿って大きく変わる場合、全ての後続のセグメントに対する運転プロフィールは再計算され、曲線５０の新しい場合を生成しなければならない。そのとき、これらの新しい曲線５０は、残りの運行を計画するための新しいスケジュールの目的と共に使用される。
【００６６】
運行計画が上で検討されたように生成されると、速度および動力対距離の曲線が、要求される運行時間で最小の燃料および／または排気で目的地に到着するために使用される。運行計画を実行するためのいくつかのやり方が存在する。以下により詳細に提供されるように、１つの例示的実施形態において、指導モードが、最適な運行計画に従って決定された要求される動力および速度を達成するためにオペレータが従うための情報をオペレータに対して表示する。このモードにおいて、運転情報は、オペレータが使用すべき運転条件を提案する。別の例示的実施形態において、加速と一定速度を保つこととが当該例示的実施形態によって実行される。しかし、列車３１が減速されなければならないとき、オペレータはブレーキシステム５２を適用する責任を負う。別の例示的実施形態において、所望の速度−距離の経路に従うための必要とされるような動力および制動に固有の命令。
【００６７】
変動する向かい風および／または追い風によって引き起こされる列車の荷重の変動などであるがこれに限定されない事象を修正するためのプロフィール内の動力制御シーケンスに修正を提供するためにフィードバック制御方針が使用される。別のそのような誤差は、最適化された運行計画における想定と比較されたときの列車の質量および／または抵抗などであるがこれらに限定されない列車のパラメータの誤差によって引き起こされる可能性がある。第３の種類の誤差は、軌道データベース３６に含まれる情報によって起こる可能性がある。別の起こりうる誤差は、機関車のエンジン、主電動機のサーマルディレーション（ｔｈｅｒｍａｌ  ｄｅｒａｔｉｏｎ）、および／またはその他の要素によるモデリングされていない性能の差異を含む可能性がある。フィードバック制御方針は、位置の関数としての実際の速度を所望の最適なプロフィールの速度と比較する。この差に基づいて、最適な動力プロフィールに対する修正が、実際の速度を最適なプロフィールに近付けるために加えられる。安定した統制を保証するために、閉性能安定性が保証されることを保証するためにフィードバック速度をフィルタリングして動力の修正にする補償アルゴリズムが提供されることができる。補償は、性能目標を達成するために制御システム設計の分野に精通した者によって使用される標準的な動的補償を含むことができる。
【００６８】
例示的実施形態は、鉄道の運転における例外ではなく規則である、運行の目的の変更に対処するための最も単純な、ひいては最も高速な手段を可能にする。経路に沿って停車場が存在する地点Ａから地点Ｂへの燃料が最適な運行を決定するための、およびいったん運行が始まったときに運行の残りの部分のために運行を更新するための例示的実施形態において、準最適な分解方法が最適な運行プロフィールを発見するために使用されることができる。モデリング方法を使用して、計算方法は、停車場があるときに全ての速度制限および機関車の能力の制約を満たすために特定の走行時間ならびに初期および最終速度を有する運行計画を発見することができる。以下の検討は燃料の使用を最適化することを対象とするが、以下の検討は、排気、スケジュール、乗務員の快適さ、および荷重の影響などであるがこれらに限定されないその他の要素を最適化するために適用されることもできる。方法は、最初に運行計画を作成することに使用されることができ、より重要なことに、運行を開始した後で目的の変更に適合することに使用されることができる。
【００６９】
本明細書において検討されるように、例示的実施形態は、図５に示される例示的なフローチャートに示されるような、および図６に詳細に示される例示的３セグメントの例のような設定を使用することができる。示されるように、運行は、２つ以上のセグメントＴ１、Ｔ２、およびＴ３に分けられることができる。しかし、本明細書において検討されるように、運行を単一のセグメントとみなすことが可能である。本明細書において検討されるように、セグメントの境界は等しいセグメントをもたらさない可能性がある。その代わりに、セグメントはふさわしいまたはミッションに固有の境界を使用する。最適な運行計画が各セグメントに対して予め計算される。燃料の使用対運行時間が満たされるべき運行の目的である場合、燃料対運行時間曲線が各セグメントに対して構築される。本明細書において検討されるように、曲線はその他の要素に基づくことができ、それらの要素は運行計画を用いて満たされるべき目的である。運行時間が決定されているパラメータであるとき、全体的な運行時間の制約を満たしながら各セグメントに対する運行時間が計算される。図６は、例示的３セグメントの２００マイルの運行に対する速度制限９７を示す。さらに示されているのは、２００マイルの運行に渡る勾配の変化９８である。走行時間に渡って使用された燃料の運行の各セグメントに対する曲線を示す組み合わされたグラフ９９も示される。
【００７０】
上述の最適な制御の設定を使用して、この計算方法は、停車場があるときに全ての速度制限および機関車の能力の制約を満たすために特定の走行時間ならびに初期および最終速度を有する運行計画を発見することができる。以下の詳細な検討は燃料の使用を最適化することを対象とするが、以下の詳細な検討は、排気などであるがこれに限定されない、本明細書において検討されるその他の要素を最適化するために適用されることもできる。重要な柔軟性は、停車場での所望の停車時間に対応すること、ならびに、例えば、側線にいる、または側線を通り抜けるための時間が重要である単線の運転において必要とされ得る場所への最も早い到着および場所からの最も早い出発に関する制約を考慮することである。
【００７１】
本発明の例示的実施形態は時間Ｔ内に走行される距離Ｄ０からＤＭまでの燃料が最適な運行を発見し、ここでＭ−１個の中間の停車場がＤ１，．．．，ＤＭ−１にあり、これらの停車場の到着および出発時間が以下の式によって制約される。
【００７２】
【数１０】
0005469463.tif 000011
ここで、
【００７３】
【数１１】
0005469463.tif 000012
、および
【００７４】
【数１２】
0005469463.tif 000013
は、それぞれｉ番目の停車場における出発、到着、および最小停車時間である。燃料の最適性が停車時間を最小化することを含み、したがって、上の第２の不等式を消去する
【００７５】
【数１３】
0005469463.tif 000014
であると仮定する。それぞれのｉ＝１，．．．，Ｍに対して、走行時間ｔ（
【００７６】
【数１４】
0005469463.tif 000015
）の間のＤｉ−１からＤｉまでの燃料が最適な運行が分かると仮定する。
【００７７】
【数１５】
0005469463.tif 000016
はこの運行に対応する燃料の使用であるとする。Ｄｊ−１からＤｊまでの走行時間がＴｊと表される場合、Ｄｉへの到着時間は以下の式によって与えられる。
【００７８】
【数１６】
0005469463.tif 000017
ここで、
【００７９】
【数１７】
0005469463.tif 000018
は０と定められる。そのとき、走行時間Ｔの間のＤ０からＤＭまでの燃料が最適な運行は、
【００８０】
【数１８】
0005469463.tif 000019
を制約条件
【００８１】
【数１９】
0005469463.tif 000020
の下で最小化するＴｉ（ｉ＝１，．．．，Ｍ）を発見することによって得られる。
【００８２】
いったん運行が実施中になると、問題は、運行が進むが、しかし燃料が最適な解に従うことを変動が妨げるときに、（元は時間Ｔ内のＤ０からＤＭまでの）運行の残りの部分に関する燃料が最適な解を再決定することである。現在の距離および速度をそれぞれｘおよびｖとし、ここで
【００８３】
【数２０】
0005469463.tif 000021
である。また、運行の開始からの現在の時間をｔａｃｔとする。そのとき、ＤＭへの元の到着時間を維持するｘからＤＭまでの運行の残りの部分に関する燃料が最適な解は、
【００８４】
【数２１】
0005469463.tif 000022
を制約条件
【００８５】
【数２２】
0005469463.tif 000023
の下で最小化する
【００８６】
【数２３】
0005469463.tif 000024
を発見することによって得られる。ここで、
【００８７】
【数２４】
0005469463.tif 000025
は、ｘにおける初期速度をｖとして時間ｔ内に走行されるｘからＤｉまでの最適な運行の使用燃料である。
【００８８】
上で検討されたように、より効率的な再計画を可能にする例示的なやり方は、分割されたセグメントから停車場間の運行に関する最適な解を構築することである。走行時間ＴｉのＤｉ−１からＤｉまでの運行に関して、１組の中間点
【００８９】
【数２５】
0005469463.tif 000026
を選択する。Ｄｉ０＝Ｄｉ−１および
【００９０】
【数２６】
0005469463.tif 000027
とする。そのとき、Ｄｉ−１からＤｉまでの最適な運行に関する燃料の使用を以下のように表す。
【００９１】
【数２７】
0005469463.tif 000028
ここで、
【００９２】
【数２８】
0005469463.tif 000029
は、初期速度および最終速度をｖｉ，ｊ−１およびｖｉｊとして時間ｔ内に走行されるＤｉ，ｊ−１からＤｉｊまでの最適な運行に関する燃料の使用である。さらに、ｔｉｊは距離Ｄｉｊに対応する最適な運行の時間である。定義より
【００９３】
【数２９】
0005469463.tif 000030
。列車はＤｉ０および
【００９４】
【数３０】
0005469463.tif 000031
において停車されるので、
【００９５】
【数３１】
0005469463.tif 000032
である。
【００９６】
上記式は、関数Ｆｉ（ｔ）が、初めに関数
【００９７】
【数３２】
0005469463.tif 000033
を決定し、次に、
【００９８】
【数３３】
0005469463.tif 000034
を制約条件
【００９９】
【数３４】
0005469463.tif 000035
の下で最小化する
【０１００】
【数３５】
0005469463.tif 000036
および
【０１０１】
【数３６】
0005469463.tif 000037
を発見することによって代替的に決定されることを可能にする。（例えば、速度制限または待ち合わせ地点で）Ｄｉｊを選択することによって
【０１０２】
【数３７】
0005469463.tif 000038
が最小化されることができ、したがって、ｆｉｊ（）が知られている必要がある値域を最小化することができる。
【０１０３】
上記の分割に基づいて、上述のアプローチよりもより簡素な準最適再計画アプローチは、再計画を列車が距離の地点
【０１０４】
【数３８】
0005469463.tif 000039
にいる時間に制限することである。地点Ｄｉｊにおいて、ＤｉｊからＤＭまでの新しい最適な運行は、
【０１０５】
【数３９】
0005469463.tif 000040
を制約条件
【０１０６】
【数４０】
0005469463.tif 000041
の下で最小化し、ここで、
【０１０７】
【数４１】
0005469463.tif 000042
である
【０１０８】
【数４２】
0005469463.tif 000043
、および
【０１０９】
【数４３】
0005469463.tif 000044
を発見することによって決定されることができる。
【０１１０】
距離の地点Ｄｉが到達されるまで
【０１１１】
【数４４】
0005469463.tif 000045
の再計算を待つことによってさらなる簡素化が得られる。このように、Ｄｉ−１とＤｉの間の地点Ｄｉｊにおいて、上記の最小化は
【０１１２】
【数４５】
0005469463.tif 000046
で実行されることのみを必要とする。Ｔｉは、Ｄｉ−１からＤｉｊまでの計画されたよりも長い任意の実際の走行時間に対処するために必要に応じて増加される。この増加は、可能であれば距離の地点Ｄｉにおける
【０１１３】
【数４６】
0005469463.tif 000047
の再計算によって後で補償される。
【０１１４】
上で開示された閉ループの構成に関して、地点Ａから地点Ｂまで列車３１を動かすために必要とされる総入力エネルギーは、４つの構成要素、具体的には、地点Ａと地点Ｂの間の運動エネルギーの差と、地点Ａと地点Ｂの間の位置エネルギーの差と、摩擦およびその他の抵抗損失によるエネルギー損失と、ブレーキをかけることによって消散するエネルギーとの合計によって構成される。開始および終了速度が同じ（例えば、静止）であると仮定すると第１の構成要素は０である。さらに、第２の構成要素は運転方針とは無関係である。したがって、後の２つの構成要素の合計を最小化すれば十分である。
【０１１５】
一定の速度プロフィールに従うことは抵抗損失を最小化する。また、一定の速度プロフィールに従うことは、一定速度を保つために制動が必要とされないときは総エネルギー入力を最小化する。しかし、一定速度を保つために制動が必要とされる場合、単に一定速度を保つために制動をかけることは、大抵、ブレーキによって消散されたエネルギーを補充する必要があるので総必要エネルギーを増加させる。速度の変動を減らすことによって、制動によって生じる抵抗損失の結果的な減少によるオフセットよりも追加的なブレーキ損失が大きい場合に何らかの制動が実際に総エネルギー使用を減少させる可能性があり得る。
【０１１６】
上述の事象の収集から再計画を完了した後で、新しい最適なノッチ／速度計画は、本明細書において説明される閉ループ制御を使用して守られることができる。しかし、場合によっては、上述のセグメント分解計画を実行する十分な時間がない可能性があり、特に、尊重されなければならない重要な速度制限が存在するときは別のやり方が必要とされる。本発明の例示的実施形態は、「スマートクルーズ制御」と呼ばれるアルゴリズムを用いてこれを遂行する。スマートクルーズ制御アルゴリズムは、既知の地形上で列車３１を運転するためのエネルギー効率の良い（したがって、燃料効率の良い）準最適な指示を運行中に生成するための効率的なやり方である。このアルゴリズムは、常に軌道３４に沿った列車３１の位置の知識と、軌道の勾配および曲率対位置の知識とを仮定する。方法は列車３１の運動に関する質点モデルを利用し、この質点モデルのパラメータは、上述の列車の運動のオンライン計測から適応的に推定されることができる。
【０１１７】
スマートクルーズ制御アルゴリズムは、３つの主な構成要素、具体的には、速度制限の引き下げのエネルギー効率の良いガイドとして働く修正された速度制限プロフィールと、速度の変動の最小化と制動の間のバランスを取るように試みる理想的スロットルまたはダイナミックブレーキ設定プロフィールと、実際のパラメータと比較されるときのモデルリングされたパラメータの不一致を補償するための速度フィードバックループを使用する、後の２つの構成要素を組み合わせてノッチ命令を生成するためのメカニズムとを有する。スマートクルーズ制御は、アクティブ制動を行わない（すなわち、運転士が信号を送られ、必要な制動を行うと想定される）例示的実施形態、またはアクティブ制動を行う変形形態において指針に対処することができる。
【０１１８】
ダイナミックブレーキを制御しないクルーズ制御アルゴリズムに関して、３つの例示的な構成要素は、速度制限の削減のエネルギー効率の良いガイドとして働く修正された速度制限プロフィール、オペレータにいつ制動がかけられるべきであるかを知らせるように指示された通知信号、速度の変動を最小化することとオペレータに制動をかけるように通知することとの間のバランスを取るように試みる理想的スロットルプロフィール、実際のパラメータに対するモデルパラメータの不一致を補償するためのフィードバックループを使用するメカニズムである。
【０１１９】
さらに例示的実施形態に含まれるのは、列車３１の重要なパラメータ値を特定するためのアプローチである。例えば、列車の質量を推定することに関して、時間の経過と共に生じる可能性がある誤差を検出するためにカルマンフィルタおよび逐次最小自乗アプローチが利用されることができる。
【０１２０】
図７は、本発明の例示的実施形態の例示的なフローチャートを示す。既に検討されたように、指令６０などのリモートの設備が例示的実施形態に情報を提供することができる。示されるように、そのような情報は実行制御要素６２に提供される。さらに実行制御要素６２に供給されるのは、機関車モデリング情報データベース６３、軌道の勾配情報および速度制限情報などであるがこれらに限定されない軌道データベース３６からの情報、列車の重量および抵抗係数などであるがこれらに限定されない推定された列車のパラメータ、ならびに燃料レート推定器６４からの燃料レートテーブルである。実行制御要素６２は、図１により詳細に開示されたプランナ１２に情報を供給する。運行計画が計算されてしまうと、計画は、運転アドバイザ、運転士、またはコントローラ要素５１に供給される。運行計画は、実行制御要素６２がその他の新しいデータが提供されたときに運行を比較することができるように実行制御要素６２にも供給される。
【０１２１】
上で検討されたように、運転アドバイザ５１はノッチ動力を予め決められたノッチ設定または最適な連続的ノッチ動力のいずれかに自動的に設定することができる。速度命令を機関車３１に供給することに加えて、オペレータがプランナが推奨した内容を見ることができるようにディスプレイ６８が提供される。オペレータは制御盤６９も利用できる。制御盤６９を通じて、オペレータは、推奨されたノッチ動力を適用するかどうかを判断することができる。この目的のために、オペレータは、目的のまたは推奨された動力を制限することができる。すなわち、いつでも、オペレータはどのような動力設定で機関車のコンシストが運転するのかについて最終的な権限を常に有する。これは、運行計画が列車３１を減速することを推奨する場合に制動をかけるかどうかを判断することを含む。例えば、暗い地域内を運転する場合、または沿線の機器からの情報が情報を列車に電子的に送信することができず、代わりにオペレータが沿線の機器からの視覚的な信号を見る場合、オペレータは、軌道データベースに含まれる情報、および沿線の機器からの視覚的な信号に基づいて命令を入力する。列車３１がどのように機能しているかに基づいて、燃料の測定に関する情報が燃料レート推定器６４に供給される。概して燃料流量の直接測定は機関車のコンシストにおいては利用できないので、運行中のそれまでの消費燃料に関する全ての情報、および最適な計画に従った将来の予測が、最適な計画の作成に使用されたモデルなどの較正された物理的過程のモデルを使用して実行される。例えば、そのような予測は、使用された累積の燃料を導出するための測定された総馬力と知られている燃料の特性との使用を含むことができるがこれに限定されない。
【０１２２】
列車３１は、上で検討されたようにＧＰＳセンサなどのロケータデバイス３０も有する。情報が列車パラメータ推定器６５に供給される。そのような情報は、ＧＰＳセンサのデータ、牽引力／制動力データ、制動状態データ、速度、および速度データの任意の変化を含むことができるがこれらに限定されない。勾配に関する情報および速度制限の情報と共に、列車の重量および抵抗係数の情報が実行制御要素６２に供給される。
【０１２３】
例示的実施形態は、最適化の計画および閉ループ制御の実行の全体を通じて、連続的に変更可能な動力の使用を可能にすることもできる。従来の機関車において、概して動力は８つの離散的なレベルに量子化される。現在の機関車は、上述の最適化方法に組み込まれることができる馬力の連続的な変化を実現することができる。連続的な動力を用いて、機関車４２は、例えば副次的負荷および動力伝送損失を最小化すること、ならびに最適な効率のエンジン馬力の領域を微調整することによって、または排気の余裕が増加する点まで運転条件をさらに最適化することができる。例は、冷却システムの損失を最小化すること、交流発電機の電圧を調整すること、エンジン回転数を調整すること、および駆動軸の数を減らすことを含むがこれらに限定されない。さらに、機関車４２は、車載の軌道データベース３６と予測された性能要件とを使用して、目的の燃料消費／排気のために最適な効率を提供するために副次的負荷および動力伝送損失を最小化することができる。例は、平らな地形上でいくつかの駆動軸を削減すること、およびトンネルに進入する前に機関車のエンジンを予め冷却することを含むがこれらに限定されない。
【０１２４】
例示的実施形態は、車載の軌道データベース３６と予測された性能とを使用して、列車が坂および／またはトンネルに近付くときにその列車が十分な速度を有することを保証することなどのために機関車の性能を調整することもできる。例えば、これは、方程式（ＯＰ）を解いて生成される最適な計画の生成の一部になる、特定の位置における速度の制約として表されることができる。さらに、例示的実施形態は、牽引力ランプレート（ｒａｍｐ  ｒａｔｅｓ）、最大制動力ランプレートなどであるがこれらに限定されない列車操作規則を組み込むことができる。これらは、最適な運行プロフィールに関する定式化に直接組み込まれることができるか、または代替的に、動力の適用を制御して目的の速度を達成するために使用される閉ループレギュレータに組み込まれることができる。
【０１２５】
本発明の好ましい実施形態において、それは、列車のコンシストの本務機関車にのみ搭載される。たとえ本発明の例示的実施形態がデータ、またはその他の機関車とのインタラクションに依存しないとしても、本発明の例示的実施形態は、（譲受人によって所有され、両方とも参照によって援用される）米国特許第６，６９１，９５７号および米国特許出願第１０／４２９，５９６号に開示されたコンシストマネージャ機能、および／または効率を向上するためのコンシストオプティマイザ機能に統合されることができる。複数の列車とのインタラクションは、本明細書に記載の２つの「独立に最適化された」列車を調整する指令の例によって示されるように妨げられない。
【０１２６】
動力分散システムを備えた列車は様々なモードで運転されることができる。１つのモードは、列車の全ての機関車が同じノッチ命令で運転する。したがって、本務機関車がモータリングＮ８を命令している場合、列車内の全てのユニットはモータリングＮ８動力を生成するように命令される。別の運転モードは「独立」制御である。このモードにおいて、列車の全体に分散された機関車または機関車の組は、異なるモータリングまたは制動動力で運転されることができる。例えば、列車が山頂に達するとき、（山の下り斜面上の）本務機関車は制動状態に置かれることができる一方、（山の上り斜面上の）列車の中間のまたは終わりの機関車はモータリング状態にあることができる。これは、鉄道車両および機関車を接続する機械的な連結器にかかる牽引力を最小化するために行われる。従来、動力分散システムを「独立」モードで運転することは、オペレータに本務機関車内のディスプレイを介してそれぞれのリモートの機関車または機関車の組を手動で指揮するように要求した。計画のモデル、列車の設定情報、車載の軌道データベース、車載の運転規則、位置判定システム、リアルタイム閉ループ動力／ブレーキ制御、およびセンサフィードバックに基づいた物理的過程を使用して、システムは動力分散システムを自動的に「独立」モードで運転することになる。
【０１２７】
動力分散で運転するとき、本務機関車内のオペレータは、動力分散制御要素などの制御システムを介してリモートのコンシスト内のリモートの機関車の運転機能を制御することができる。したがって、動力分散で運転するとき、オペレータはそれぞれの機関車のコンシストに異なるノッチ動力レベルで運転するように命令することができ（または、１つのコンシストはモータリング状態にあることができ、その他のコンシストは制動状態にあることができる）、ここで、機関車のコンシスト内のそれぞれの個々の機関車は同じノッチ動力で運転する。本発明の例示的実施形態において、それは列車に搭載され、好ましくは動力分散制御要素と通信しており、最適化された運行計画によって推奨されるようにリモートの機関車のコンシストに対するノッチ動力レベルが望まれるとき、例示的実施形態はこの動力設定を実行のためにリモートの機関車のコンシストに伝達する。以下で検討されるように、同じことが制動に関して当てはまる。
【０１２８】
例示的実施形態は、機関車が連続しておらず、例えば１両または複数の機関車が前方にあり、その他の機関車が列車の中程および後方にあるコンシストと共に使用されることができる。そのような構成は動力分散と呼ばれ、機関車の間の標準的な接続が、機関車を外部につなぐための無線リンクまたは補助ケーブルによって置き換えられる。動力分散で運転するとき、本務機関車内のオペレータは、動力分散制御要素などの制御システムを介して当該コンシスト内のリモートの機関車の運転機能を制御することができる。具体的には、動力分散で運転するとき、オペレータはそれぞれの機関車のコンシストに異なるノッチ動力レベルで運転するように命令することができ（または、１つのコンシストはモータリング状態にあることができ、その他のコンシストは制動状態にあることができる）、ここで、機関車のコンシスト内のそれぞれの個々の機関車は同じノッチ動力で運転する。
【０１２９】
例示的実施形態において、列車に搭載され、好ましくは動力分散制御要素と通信している場合、最適化された運行計画によって推奨されるようにリモートの機関車のコンシストに対するノッチ動力レベルが望まれるとき、例示的実施形態はこの動力設定を実行のためにリモートの機関車のコンシストに伝達する。以下で検討されるように、同じことが制動に関して当てはまる。動力分散を用いて運転するとき、上述の最適化問題は、リモートユニットのそれぞれが本務ユニットから独立に制御されることができるさらなる自由度を与えるように拡張されることができる。このことの価値は、列車内の力を反映するためのモデルがやはり含まれると仮定して、列車内の力に関する追加的な目的または制約が性能関数に組み込まれることができることである。したがって、例示的実施形態は、列車内の力ならびに燃料消費および排気をより適切に管理するための複数のスロットル制御の使用を含むことができる。
【０１３０】
コンシストマネージャを利用する列車において、機関車のコンシスト内の本務機関車は、そのコンシスト内のその他の機関車とは異なるノッチ動力設定で運転することができる。コンシスト内のその他の機関車は同じノッチ動力設定で運転する。例示的実施形態は、コンシスト内の機関車に関するノッチ動力設定を命じるためにコンシストマネージャと連係して利用されることができる。このように、例示的実施形態に基づいて、コンシストマネージャが機関車のコンシストを２つのグループ、本務機関車および補助ユニットに分割するので、本務機関車は特定のノッチ動力で運転するように命令され、補助機関車は別の特定のノッチ動力で運転するように命令される。例示的実施形態において、動力分散制御要素は、この運転が内蔵されるシステムおよび／または装置であることができる。
【０１３１】
同様に、コンシストオプティマイザが機関車のコンシストと共に使用されるとき、例示的実施形態は、機関車のコンシスト内のそれぞれの機関車に対するノッチ動力を決定するためにコンシストオプティマイザと連係して使用されることができる。例えば、運行計画が機関車のコンシストに対してノッチ動力設定４を推奨すると仮定する。列車の位置に基づいて、コンシストオプティマイザは、この情報を取得し、次にコンシスト内のそれぞれの機関車に対してノッチ動力設定を決定する。この実装において、列車内通信チャネル上でノッチ動力設定を設定する効率が向上される。さらに、上で検討されたように、この構成の実装は分散制御システムを利用して実行されることができる。
【０１３２】
さらに、既に検討されたように、本発明の例示的実施形態は、コンシスト内の各機関車が異なる制動オプションを必要とする可能性がある踏切、勾配の変化、接近してくる側線、接近してくる車両基地構内、および接近してくる燃料補給所などであるがこれらに限定されない関心のある近付いてくるものに基づいた、列車のコンシストがいつ制動を使用するかに関する継続的な修正および再計画のために使用されることができる。例えば、列車が坂を越えている場合、本務機関車は制動条件を入力しなければならない可能性がある一方、坂の頂上に到達していないリモートの機関車はモータリング状態に留まる必要がある可能性がある。
【０１３３】
図８、９、および１０は、オペレータによる使用のための動的なディスプレイの例示的な図を示す。提供されるように、図８、運行プロフィールが提供される（７２）。プロフィール内に、機関車の位置７３が提供される。列車の長さ１０５および列車内の車両の数１０６など情報が提供される。軌道の勾配１０７と、橋の位置１０９を含むカーブおよび沿線要素１０８と、列車の速度１１０とに関する要素も提供される。ディスプレイ６８は、オペレータがそのような情報を見て、さらに列車が経路に沿ったどこにいるのかを見ることを可能にする。踏切１１２、信号１１４、速度の変化１１６、陸標１１８、および目的地１２０などの場所への距離および／または推定到着時間に関する情報が提供される。到着時間管理ツール１２５も、ユーザが運行中に実現されている燃料の節約を判定することを可能にするために提供される。オペレータは、到着時間を変え（１２７）、この変更が燃料の節約にどのように影響するかを見る能力を有する。本明細書において検討されるように、当業者は、燃料の節約が管理ツールによって吟味されることができる唯１つの目的の例示的例であることを認識するであろう。この目的のために、見られているパラメータに応じて、本明細書において検討されるその他のパラメータが、オペレータが見ることができる管理ツールを用いて見られ、評価されることができる。オペレータは、乗務員がどのぐらいの時間列車を運転しているかについての情報も提供される。例示的実施形態において、時間および距離の情報は特定の事象および／もしくは場所までの時間および／もしくは距離のいずれかとして示されることができるか、または時間および距離の情報は総経過時間を提供することができる。
【０１３４】
図９に示されるように、例示的なディスプレイは、コンシストデータ１３０、事象および状況の図１３２、到着時間管理ツール１３４、ならびにアクションキー１３６についての情報を提供する。上で検討された同様の情報がこのディスプレイにおいても提供される。このディスプレイ６８は、オペレータが例示的実施形態を再計画および取り消しする（１４０）ことを可能にするためのアクションキー１３８も提供する。
【０１３５】
図１０は、ディスプレイの別の例示的実施形態を示す。空気ブレーキの状態７２、デジタルのはめ込み表示を伴うアナログ速度計７４、および重量ポンドを単位とする牽引力（またはＤＣ機関車に関するトラクションアンプ）についての情報を含む現在の機関車に典型的なデータが見られる。インジケータ７４が、実行中の計画における現在の最適な速度と、ｍｐｈ／分で表される表示を捕捉するための加速度計の図とを示すために提供される。最適な計画の実行のための重要な新しいデータは、最適な速度およびノッチ設定対距離の現在の履歴と比較されたこれらの変数を用いた起伏のある細長い図７６を含むスクリーンの中央にある。この例示的実施形態において、列車の位置はロケータ要素を使用して導出される。示されるように、位置は、列車がその列車の最終目的地、絶対位置、最初の目的地、中間地点、および／またはオペレータの入力からどのくらい離れているかを特定することによって提供される。
【０１３６】
細長いグラフは、手動制御において有益な、最適な計画に従うために必要とされる速度の変化に関する予測を提供し、自動制御中は計画対実際を監視する。本明細書において検討されるように、指導モードのときなどに、オペレータは、本発明の例示的実施形態によって提案されたノッチまたは速度のいずれかに従うことができる。縦棒は、細長いグラフの下にデジタル表示もされる所望のおよび実際のノッチの図を与える。連続的なノッチ動力が利用されるとき、上で検討されたように、ディスプレイは単純に最も近い離散的で等価な値に丸められ、ディスプレイはアナログの等価なまたは百分率のまたは実際の馬力／牽引力が表示されるようにアナログディスプレイであることができる。
【０１３７】
運行の状態に関する重要な情報がスクリーン上に表示され、本務機関車、列車に沿ったその他の場所、または列車の長さに渡る平均のいずれかによって列車が直面している現在の勾配を示す（８８）。また、計画におけるそれまでの走行距離９０と、累積の使用燃料９２と、次の停車が計画されている場所または計画されている次の停車までの距離９４と、現在および推定到着時間９６と、次の停車場にいることになる予想時間とが明らかにされる。ディスプレイ６８は、利用可能な計算された計画を用いてあり得る目的地までの最大のあり得る時間も示す。より遅い到着が必要とされるならば再計画が実行される。差分計画データは、現在の最適な計画より進んだまたは遅れた燃料およびスケジュールに関する状態を示す。負の数値は計画と比較してより少ない燃料またはより早いことを意味し、正の数値は計画と比較してより多い燃料または遅れを意味し、概して逆方向のトレードオフがある（燃料を節約するために速度を落とすことは列車の遅れをもたらし、その逆もある）。
【０１３８】
いつも、これらのディスプレイ６８は、オペレータにそのオペレータが現在実施されている運転計画に対してどこにいるのかのスナップショットを与える。このディスプレイは、この情報をオペレータおよび／または指令に表示／伝達する多くのその他のやり方が存在するので例示のみを目的とする。この目的のために、上で開示された情報は、開示されたディスプレイとは異なるディスプレイを提供するために混合される可能性がある。
【０１３９】
例示的実施形態に含まれることができるその他の特徴は、データログおよびレポートの生成を可能にすることを含むがこれに限定されない。この情報は列車に記憶され、ある時点で非車載のシステムにダウンロードされることができる。ダウンロードは、手動および／または無線伝送を介して行われることができる。この情報は、機関車のディスプレイを介してオペレータによって見られることができる可能性もある。データは、オペレータの入力、動作可能なタイムシステム、節約された燃料、列車の機関車の間の燃料の不均衡、正しい経路からそれた列車の行程、ＧＰＳセンサが不調であるかどうかなどのシステム診断の問題などであるがこれらに限定されない情報を含むことができる。
【０１４０】
運行計画は許容可能な乗務員の稼働時間も考慮に入れなければならないので、例示的実施形態は運行が計画されるときにそのような情報を考慮に入れることができる。例えば、乗務員が稼働できる最大時間が８時間である場合、運行は、新しい乗務員が現在の乗務員と交代するための停車場所を含むように作成されることになる。そのような特定の停車場所は、操車場、待ち合わせ／追い越しの場所などを含むことができるがこれらに限定されない。運行が進むにつれて運行時間が超過される可能性がある場合、例示的実施形態は、オペレータによって決定されたように基準を満たすためにオペレータによって解除されることができる。最終的には、高い荷重、低い速度、列車の伸張の状態などであるがこれらに限定されない列車の運転条件にかかわらず、オペレータが、列車の速度および／または運転条件を命令するために制御を続ける。
【０１４１】
本発明の例示的実施形態を使用して、列車は複数の運転で動作することができる。１つの運転の概念において、例示的実施形態は、推進力、ダイナミックブレーキを命じるための命令を提供することができる。その場合、オペレータは全てのその他の列車の機能を扱う。別の運転の概念において、例示的実施形態は、推進力のみを命じるための命令を提供することができる。その場合、オペレータはダイナミックブレーキと全てのその他の列車の機能とを扱う。さらに別の運転の概念において、例示的実施形態は、推進力、ダイナミックブレーキ、および空気ブレーキの適用を命じるための命令を提供することができる。その場合、オペレータは全てのその他の列車の機能を扱う。
【０１４２】
例示的実施形態は、取られるべき対処の関心のある近付いてくるものをオペレータに知らせるために使用されることもできる。具体的には、例示的実施形態の予測ロジック、最適化された運行計画に対する継続的な修正および再計画、軌道データベース、オペレータは、近付いてくる踏切、信号、勾配の変化、ブレーキアクション、側線、操車場、燃料補給所などを知らされることができる。この通知は、聴覚的におよび／またはオペレータのインターフェースを通じて行われることができる。
【０１４３】
具体的には計画のモデル、列車の設定情報、車載の軌道データベース、車載の運転規則、位置判定システム、リアルタイム閉ループ動力／ブレーキ制御、およびセンサフィードバックに基づいた物理的過程を使用して、システムは必要とされる対処をオペレータに提示するおよび／または知らせることになる。通知は視覚的および／または可聴的であることができる。例は、機関車の警笛および／またはベルを作動させるようにオペレータに要求する踏切を知らせることと、機関車の警笛またはベルを作動させるようにオペレータに要求しない「音を立てない」踏切を知らせることとを含む。
【０１４４】
別の例示的実施形態において、上で検討された計画のモデル、列車の設定情報、車載の軌道データベース、車載の運転規則、位置判定システム、リアルタイム閉動力／ブレーキ制御、およびセンサフィードバックに基づいた物理的過程を使用して、例示的実施形態は、図９に示されたようにオペレータが列車が様々な場所にいつ到着するかを見ることを可能にする情報（例えば、ディスプレイ上の計器）をオペレータに提示することができる。システムは、オペレータが運行計画（目標到着時間）を調整することを可能にすることになる。この情報（実際の推定到着時間、または車外で導出するために必要とされる情報）は、指令または指令システムが目標到着時間を調整することを可能にするために指令センタに伝達されることもできる。これは、システムが適切な目的の関数に対して迅速に調整および最適化を行うこと（例えば、速度と燃料使用の折り合いをつけること）を可能にする。
【０１４５】
上で提供された情報に基づいて、本発明の例示的実施形態は、軌道上の列車３１の位置を判定する（ステップ１８）ために使用されることができる。軌道の特性の判定も、列車パラメータ推定器６５を使用することなどによって遂行されることができる。運行計画は、列車の位置と、軌道の特性と、列車の少なくとも１両の機関車の運転条件とに基づいて生成されることができる。さらに、最適な動力要件が列車に伝達されることができ、列車のオペレータが無線通信システム４７などを通じて最適な動力に従って機関車、機関車のコンシスト、および／または列車に向けられることができる。別の例において、機関車のオペレータに指示する代わりに、列車３１、機関車のコンシスト１８、および／または機関車は、最適な動力設定に基づいて自動的に運転されることができる。
【０１４６】
さらに、方法は、運行計画に基づいて機関車のコンシスト１８に対する動力設定または動力命令を決定すること（１４）も含むことができる。次に、機関車のコンシスト１８は当該動力設定で運転される。列車の実際の速度、機関車のコンシストの実際の動力設定、および列車の位置などであるがこれらに限定されない列車および／または機関車のコンシストの運転パラメータが収集されることができる。これらのパラメータのうちの少なくとも１つが、機関車のコンシストが運転するように命令される動力設定と比較されることができる。
【０１４７】
別の実施形態において、方法は、列車および／または機関車のコンシストの運転パラメータを決定すること（６２）を含むことができる。所望の運転パラメータが、決定された運転パラメータに基づいて決定される。決定されたパラメータが、運転パラメータと比較される。差分が検出される場合、運行計画が調整される（ステップ２４）。
【０１４８】
別の実施形態は、軌道３４上の列車３１の位置が判定される方法を伴う可能性がある。軌道３４の特性も判定される。運行計画または運転計画が燃料消費を最小化するために作成または生成される。運行計画は、列車の位置、軌道の特性、ならびに／または機関車のコンシスト１８および／もしくは列車３１の運転条件に基づいて生成されることができる。同様の方法において、軌道上の列車の位置が判定され、軌道の特性が分かると、推進制御および／またはノッチ命令が燃料消費を最小化するために提供される。
【０１４９】
図１２は、鉄道輸送手段を運転するための閉ループシステムの例示的実施形態を示す。示されるように、運行オプティマイザ６５０と、変換器６５２と、鉄道輸送手段６５３と、速度、排気、牽引力、馬力、砂などであるがこれらに限定されない少なくとも１つの出力６５４とは、閉ループ制御通信システム６５７の一部である。出力６５４は、鉄道輸送手段６５３の一部であるか、または別の例示的実施形態においては鉄道輸送手段６５３から独立しているセンサ６５６によって決定されることができる。例えば、砂に関して、鉄道の車輪がスリップしないように補助するために放出される砂の量についてセンサなどを用いて決定がなされる。当業者は、同様の考えが上で特定されたその他の出力に対して適用可能であることを容易に認識するであろう。運行オプティマイザ６５０および／またはレギュレータから生成された情報から最初に導出された情報は、変換器６５２を通じて鉄道輸送手段６５３に提供される。次に、鉄道車からセンサ６５４によって集められた機関車のデータが、有線および／または無線のいずれかのネットワーク６５７を通じてオプティマイザ６５０に返送される。例示的実施形態において、オプティマイザ６５０は任意の変数を利用することができ、速度、動力、および／またはノッチ設定のうちの少なくとも１つを決定することにその変数を使用することができる。例えば、オプティマイザは、燃料、時間、排気、および／またはそれらの組合せのためのオプティマイザのうちの少なくとも１つであってよい。
【０１５０】
オプティマイザ６５０は、速度、燃料、排気などであるがこれらに限定されない、調整されるべき少なくとも１つの要素に関する運転の特性を決定する。オプティマイザ６５０は、決定された最適な値に基づいて動力および／またはトルク設定のうちの少なくとも１つを決定する。鉄道輸送手段６５３（通常は機関車）に対する動力、トルク、速度、排気、砂まき、設定、構成など、および／または制御入力を変換するために変換器６５２が提供される。具体的には、動力、トルク、速度、排気、砂まき、設定、構成など、および／または制御入力についてのこの情報またはデータが電気信号に変換される。
【０１５１】
図１３は、マスタ制御ユニットと統合された閉ループシステムを示す。以下でさらに詳細に示されるように、変換器６５２は、主幹制御器、リモート制御機関車コントローラ、動力分散運転コントローラ、引通し線のモデム、アナログ入力などであるがこれらに限定されない複数のデバイスのうちのいずれか１つとインターフェースを取ることができる。例えば、変換器は、主幹制御器６５１の出力を開放することができる。通常、主幹制御器６５１は、動力、馬力、牽引力、砂まき、制動（ダイナミックブレーキ、空気ブレーキ、手動ブレーキなどのうちの少なくとも１つを含む）、推進力などの機関車に対するレベルなどであるがこれらに限定されない命令を機関車に下すためにオペレータによって使用される。当業者は、機関車を制御することに使用されるハードスイッチおよびソフトウェアベースのスイッチの両方を制御するために主幹制御器が使用されることができることを容易に認識するであろう。そのとき、変換器６５２は主幹制御器６５１に信号を入力する。主幹制御器６５１の開放は、電線またはソフトウェアスイッチまたは設定可能な入力選択プロセスなどであってよい。この機能を実行するためのスイッチングデバイス６５５が示される。
【０１５２】
上で検討されたように、同じ技術が、制御機関車コントローラ、動力分散運転コントローラ、引通し線のモデム、アナログ入力などであるがこれらに限定されないその他のデバイスに対して使用されることができる。図示されていないが、当業者は、同様に主幹制御器がこれらのデバイスと機関車へのこれらのデバイスの関連する接続とを使用することができ、入力信号を使用することができることを容易に認識する。これらのその他のデバイスのための通信システム６５７は無線または有線のいずれかであることができる。
【０１５３】
図１４は、鉄道輸送手段の別の入力運転サブシステムと統合された、鉄道輸送手段を運転するための閉ループシステムの例示的実施形態を示す。例えば、動力分散コントローラ６５９は、オペレータ、引通し線、および／または機関車コントローラなどであるがこれらに限定されない様々なソース６６１から入力を受信することができ、リモートの位置にある機関車に情報を送信することができる。変換器６５２は、ＤＰコントローラ６５９の入力に（追加的な入力として）情報を直接提供することができるか、または入力接続のうちの１つを切断することができ、ＤＰコントローラ６５９に情報を送信することができる。スイッチ６５５は、上で検討されたように、変換器６５２がＤＰコントローラ６５９にどのように情報を提供するかを指示するために提供される。スイッチ６５５は、ソフトウェアベースのスイッチおよび／または配線されたスイッチであることができる。さらに、スイッチ６５５は必ずしも２路スイッチではない。スイッチは、そのスイッチが制御している信号の数に基づいて複数のスイッチ方向を有することができる。
【０１５４】
別の例示的実施形態において、変換器は、図１５に示されるように主幹制御器の操作を命じることができる。変換器６５２は、オプティマイザ６５０から受信された電気信号に基づいて自動的に主幹制御器６５１を動かすための機械的手段を有する。
【０１５５】
センサ６５４が、速度、排気、牽引力、馬力などであるがこれらに限定されない運転条件データを集めるために機関車に提供される。次に、機関車出力情報６５４が、通常は鉄道輸送手段６５３を通じてオプティマイザ６５０に提供され、したがって閉ループシステムを完成させる。
【０１５６】
図１６は、閉ループプロセスにおいて鉄道輸送手段を運転するためのステップの例示的なフローチャートを示す。フローチャート６６０は、機関車のコンシストに対する最適化された設定を決定するためのステップ（ステップ６６２）を含む。最適化された設定は、動力レベル、最適化されたトルク、排気、作動される軸の数、その他の機関車の構成などのうちの少なくとも１つなどであるがこれに限定されない任意の設定変数に関する設定を含むことができる。別のステップは、最適化された動力レベルおよび／またはトルク設定を機関車のコンシスト用の認識可能な入力信号に変換することを提供する（ステップ６６４）。機関車のコンシストの少なくとも１つの運転条件が、最適化された動力レベルおよび最適化されたトルク設定のうちの少なくとも１つが適用されるときに決定される（ステップ６６７）。別のステップは、少なくとも運転条件が動力レベルおよびトルク設定のうちの少なくとも１つをさらに最適化するために使用されるように少なくとも１つの運転条件を閉制御ループ内でオプティマイザに伝達することを含む（ステップ６６８）。
【０１５７】
上で開示されたように、このフローチャート６６０に示されたステップはコンピュータソフトウェアコードを使用して実行されることができる。したがって、本明細書において開示されたステップを実行する能力を初めに持っていない可能性がある鉄道輸送手段に関して、少なくともソフトウェアモジュールが実行のために当該鉄道輸送手段上にロードされることができるようにコンピュータソフトウェアモジュールを含む電子媒体が当該鉄道輸送手段上のコンピュータによってアクセスされることができる。電子媒体は、コンピュータソフトウェアモジュールのうちのいずれかがインストールを遂行するためにインターネットを使用することなどであるがこれに限定されない無線および／または有線転送システムを含む電子媒体転送システムを通じてロードされることもできるので限定的であってはならない。
【０１５８】
本発明が現在好ましい実施形態とみなされるものにおいて説明されたが、多くの変更形態および修正形態が当業者に明らかとなるであろう。したがって、本発明は特定の例示的実施形態に限定されず、添付の特許請求の範囲の最大限の精神および範囲内で解釈されることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【０１５９】
【図１】本発明の例示的実施形態のフローチャートの例示的な図である。
【図２】使用されることができる列車の簡素化されたモデルを示す図である。
【図３】本発明の例示的実施形態の要素の例示的実施形態を示す図である。
【図４】燃料使用／走行時間曲線の例示的実施形態を示す図である。
【図５】運行計画のためのセグメント分解の例示的実施形態を示す図である。
【図６】セグメント分割の例示的実施形態を示す図である。
【図７】本発明の例示的実施形態の例示的なフローチャートである。
【図８】オペレータによる使用のための動的なディスプレイの例示的な図である。
【図９】オペレータによる使用のための動的なディスプレイの別の例示的な図である。
【図１０】オペレータによる使用のための動的なディスプレイの別の例示的な図である。
【図１１】鉄道輸送手段が現在どのように制御されるかの従来技術の構成図である。
【図１２】鉄道輸送手段を運転するための閉ループシステムの例示的実施形態を示す図である。
【図１３】マスタ制御ユニットと統合された閉ループシステムを示す図である。
【図１４】鉄道輸送手段の別の入力運転サブシステムと統合された、鉄道輸送手段を運転するための閉ループシステムの例示的実施形態を示す図である。
【図１５】閉ループ制御システムの一部としての主幹制御器の別の例示的実施形態を示す図である。
【図１６】閉ループプロセスにおける鉄道輸送手段を運転するためのステップの例示的なフローチャートである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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